PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)-氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制與相關(guān)表型分析

葉片表面的保衛(wèi)細(xì)胞能夠調(diào)節(jié)氣孔開放，從而使植物與大氣間進(jìn)行氣體交換，讓植物的光合作用與蒸騰作用之間達(dá)到平衡。保衛(wèi)細(xì)胞的新陳代謝活性又主要依賴來源于葉肉的糖分。而參與到這一過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞功能的貢獻(xiàn)還不清楚。
   
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、蘇黎世大學(xué)與捷克Photon Systems Instruments (PSI)公司合作，證實(shí)了在擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中，單糖/質(zhì)子協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)子糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1和4（STP1和STP4）是主要的質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。結(jié)果表明它們的共同作用需要葡萄糖輸入到保衛(wèi)細(xì)胞，提供淀粉積累和光誘導(dǎo)氣孔打開所需的碳源。這一研究成果作為封面文章發(fā)表于2020年《EMBO Reports》。
   
而為了深刻理解這種氣孔運(yùn)動(dòng)變化對(duì)植物光合與生長的影響，就需要對(duì)各種相關(guān)擬南芥突變體表型進(jìn)行全面的綜合分析。研究人員使用了PSI植物表型研究中心的PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)完成了這一工作。這一系統(tǒng)安裝在FytoScope大型步入式植物生長室內(nèi)，同時(shí)具備光適應(yīng)室和稱重澆灌單元，能夠精確模擬各種植物培養(yǎng)環(huán)境。其自動(dòng)化傳送系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)320株高50cm樣品的同步培養(yǎng)和自動(dòng)化成像測(cè)量。這套系統(tǒng)配置的表型成像分析單元包括：
 

成像單元	獲取表型數(shù)據(jù)
葉綠素?zé)晒獬上駟卧?/strong>	植物光合生理表型：Fv/Fm、QY（ΦPSII）、Fv’/Fm’、NPQ、qP等
RGB真彩形態(tài)學(xué)成像單元	形態(tài)學(xué)表型：株高、株寬、葉面積、生長動(dòng)態(tài)分析、色彩分析等
VNIR（Visible-near-infrared，可見光-近紅外）高光譜成像單元	反射光譜表型：反射光譜曲線、植被指數(shù)（NDVI、PRI、CRI、ARI等）
紅外熱成像單元	葉片溫度、冠層溫度

 
糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白stp突變體造成擬南芥氣孔關(guān)閉后，最直接影響到的就是擬南芥的蒸騰作用，進(jìn)而使光照條件下的葉片溫度升高。紅外熱成像分析表明，各種stp突變體的葉溫都比野生型有所升高。stp1stp4葉溫升高尤其顯著，這表明其氣孔閉合程度最大。測(cè)量氣孔導(dǎo)度gs進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
  A．不同擬南芥突變體的紅外熱成像圖；B. 歸一化葉片溫度變化曲線；C. 不同光暗條件下的氣孔導(dǎo)度gs變化
 
 VNIR高光譜成像獲得的歸一化植被指數(shù)NDVI是遙感和表型研究中最常用的植被指數(shù)。NDVI與葉綠素含量具備正相關(guān)關(guān)系，也常被用來估算葉綠素含量。結(jié)果表明，stp1stp4的NDVI與其他突變體和野生型是可比的�；�于RGB成像色彩分析功能獲得的綠度色彩豐富度，也表明在綠度分布上stp1stp4與其他突變體和野生型也沒有顯著差異。這表明stp1stp4突變體還是具備完整功能的光合機(jī)構(gòu)。
  A．VNIR高光譜成像獲得的NDVI成像圖；B. NDVI變化曲線；C-E. 基于RGB成像色彩分析功能的綠度色彩豐富度
    
而葉綠素?zé)晒獬上窠Y(jié)果表明，stp1stp4的光系統(tǒng)II最大光化學(xué)效率Fv/Fm、實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSII、光適應(yīng)最大光化學(xué)效率Fv’/Fm’，光化學(xué)淬滅qP等光合能力相關(guān)參數(shù)都有顯著降低。  
RGB形態(tài)表型分析結(jié)果，與野生型相比，stp1stp4突變體的生長減少了60%，而且生長速率也要更低。而其他突變體的生長最多只降低20%。
這一研究工作充分利用了PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：高通量樣品自動(dòng)培養(yǎng)與測(cè)量、無損表型成像功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一植株的連續(xù)跟蹤測(cè)量、最全面的表型分析數(shù)據(jù)（形態(tài)、光合、反射光譜、溫度）。

綜合表型分析結(jié)果，研究人員認(rèn)為STP1和STP4基因的同時(shí)突變?cè)斐蓴M南芥散布性氣孔限制，使葉肉光合作用所需的CO₂有效性降低。這就解釋了stp1stp4突變體光合能力降低、葉肉碳水化合物代謝變化，以及最后導(dǎo)致的生長表型缺陷。

 
參考文獻(xiàn)：
Flütsch S, et al. 2020. Glucose uptake to guard cells via STP transporters provides carbon sources for stomatal opening and plant growth. EMBO Reports 21:e49719
 
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• FluorPen/AquaPen手持儀葉綠素?zé)晒鈨x
• Monitoring Pen葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測(cè)儀
• FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)
• FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)
• FMT150/MC1000/ET-PSI藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)
• Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)
• SpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測(cè)量技術(shù)
• PlantScreen植物高通量表型成像分析平臺(tái)